高分子科学高分子化学

1、绪论高高 分分 子子 科科 学学高高 分分 子子 化化 学学研究高分子化合物合成和反研究高分子化合物合成和反应应。选择原料、确定路线、。选择原料、确定路线、寻找引发剂、制定合成工艺寻找引发剂、制定合成工艺等。等。研究聚合物的结构与性能的研究聚合物的结构与性能的关系关系，为设计合成预定性能，为设计合成预定性能的聚合物提供理论指导，是的聚合物提供理论指导，是沟通合成与应用的桥梁。沟通合成与应用的桥梁。高高 分分 子子 物物 理理高高 分分 子子 工工 程程研究聚合物加工成型的原研究聚合物加工成型的原理与工艺。理与工艺。天天 然然 高高 分分 子子的的 直直 接接 利利 用用天天 然然 高高 分分

2、子子的的 化化 学学 改改 性性天然橡胶的硫化天然橡胶的硫化, , 硝化纤硝化纤维的合成等维的合成等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等木等缩聚反应，自由基、配位、离缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等子聚合等高高 分子合分子合 成成高分高分 子时子时 代代高分子化学高分子化学发展简史发展简史19世纪中期以前世纪中期以前 19世纪中期世纪中期20世纪早期世纪早期20世纪世纪21世纪世纪解解 决决 途途 径：径：（1）延长使用寿命延长使用寿命：减少废弃：减少废弃（2）回收回收利用：低性能应用；降解利用：低性能应用；降解（3）自然）自然降解降解：自然分解回归自然：自然分解回归自然

3、制制 约约 因因 素素：老化老化 高分子制品废弃后对环境的污染高分子制品废弃后对环境的污染 （白色污染、黑色污染）（白色污染、黑色污染） Staudinger （施陶丁格）（施陶丁格） 1881年年3月月23日生于德国，日生于德国， 19201920年，年， 发表发表“论聚合反应论聚合反应”的的论文，论文，提出高分子的概念；提出高分子的概念； 19531953年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。 1965年年9月月8日逝世，终年日逝世，终年84岁。岁。高分子化学领域获诺贝尔奖的科学家高分子化学领域获诺贝尔奖的科学家 20世纪世纪50年代中期，德国人年代中期，德国人Kal Ziegler（齐格勒

4、）、（齐格勒）、意大意大利人利人Giulio Natta（纳塔）（纳塔）等人等人发现了发现了金属有机络合引发体系，金属有机络合引发体系，在较低的温度和压力下，制得在较低的温度和压力下，制得了高密度聚乙烯和聚丙烯。他了高密度聚乙烯和聚丙烯。他们两人因而在们两人因而在1963年获得了诺年获得了诺贝尔奖。贝尔奖。Flory(弗洛里弗洛里) 1910年年6月月19日生于美国伊利诺伊州日生于美国伊利诺伊州斯特灵；斯特灵；1953年当选为美国科学院院士；年当选为美国科学院院士；因在高分子化学、高分子物理性质与因在高分子化学、高分子物理性质与结构的研究方面的巨大成就，于结构的研究方面的巨大成就，于1974年

5、获得了诺贝尔化学奖。年获得了诺贝尔化学奖。 2000年，美国人年，美国人Alan.J.Hegger（艾伦艾伦黑格）黑格）、Alan.J.Macdiarmid（艾伦艾伦马克迪尔米德）马克迪尔米德）和日本人和日本人白川白川英树英树因在导电高分子的发现和发展领域的杰出贡献获诺因在导电高分子的发现和发展领域的杰出贡献获诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。1.1 聚合物聚合物的基本概念的基本概念 1. 高分子化合物（高分子化合物（聚合物聚合物、高聚物、大分子、高分子）、高聚物、大分子、高分子） polymer 由许多由许多相同的、简单的相同的、简单的结构单元通过共价键结构单元通过共价键重复重复连接连接而成的而成的

6、相对分子质量很大相对分子质量很大的一类化合物。的一类化合物。CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl CH2CH n Cl 重复结构单元重复结构单元 n表示方法表示方法包括天然高分子化合物和合成高分子化合物。包括天然高分子化合物和合成高分子化合物。常用聚合物的相对分子质量一般在常用聚合物的相对分子质量一般在104106。（。（P13表表1-10）具有与低分子同系物完全不同的物理性能。 化学组成简单。（化学组成简单。（P8表表1-5）分子形态多样。分子形态多样。 2.单体单体 (monomer) 能够形成聚合物中结构单元的小分子化合物。能够形成聚合物中结构单元的小分子化合

7、物。 CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl3. 3. 结构单元结构单元 重复结构单元重复结构单元 与单体结构有关的与单体结构有关的最大单元最大单元称为结构单元。称为结构单元。 大分子链中可重复的大分子链中可重复的最小单元最小单元称为重复结构单元，又称称为重复结构单元，又称为链节、重复单元。为链节、重复单元。 聚氯乙烯聚氯乙烯结构单元与重复结构单元相同结构单元与重复结构单元相同结构单元结构单元重复结构单元重复结构单元CH2CHCH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl 尼龙尼龙-66 结构单元和重复结构单元不同结构单元和重复结构单元不同nCOCHNHCOC

8、HNH)()(4262 结构单元结构单元 结构单元结构单元重复结构单元重复结构单元 由一种单体聚合成的聚合物结构单元和重由一种单体聚合成的聚合物结构单元和重复结构单元相同；复结构单元相同； 由两种单体聚合成的聚合物结构单元和重由两种单体聚合成的聚合物结构单元和重复结构单元不同。复结构单元不同。 4.单体单元单体单元 原子种类和数目与单体相同，仅电子结构有原子种类和数目与单体相同，仅电子结构有所改变的结构单元称为单体单元。所改变的结构单元称为单体单元。 例如聚氯乙烯例如聚氯乙烯比较结构单元、重复结构单元、单体单元三个概念比较结构单元、重复结构单元、单体单元三个概念。CH2CHCH2CHCH2CH

9、CH2CH Cl Cl Cl Cl 单体单元单体单元 结构单元结构单元 重复重复 结构单元结构单元5. 均聚物均聚物(homopolymer) 共聚物共聚物(copolymer) 共混物共混物(blend ) 由由一种单体聚合一种单体聚合而成的高聚物称为均聚物。而成的高聚物称为均聚物。 由由两种或两种以上的单体聚合两种或两种以上的单体聚合而成的高聚物称为共聚物。而成的高聚物称为共聚物。 由由两种或两种以上的两种或两种以上的混合混合而成的高聚物称为共聚物。而成的高聚物称为共聚物。 6.6.平均聚合度平均聚合度 平均相对分子质量平均相对分子质量 。 平均聚合度：平均每个大分子所具有的结构单元数平均

10、聚合度：平均每个大分子所具有的结构单元数。 nX0MXMnn平均相对分子质量：大分子的平均聚合度和结构单元平均相对分子质量：大分子的平均聚合度和结构单元 分子质量的乘积。分子质量的乘积。 1.2 聚合反应聚合反应 由单体合成聚合物的反应称为聚合反应由单体合成聚合物的反应称为聚合反应。n CH2 CH CH2 CH nOCOCH3OCOCH3nCH2=CH2 CH2-CH2 nH OCH2CH2O C C nOH + (2n-1)H2OOO n HOCH2CH2OH + n HOOC COOH 聚合反应的分类方法主要有两大类：聚合反应的分类方法主要有两大类： 按单体和聚合物在反应前后组成和结构上

11、的变化分类按单体和聚合物在反应前后组成和结构上的变化分类 加聚反应加聚反应 烯类单体通过打开双键相互联结起来的反应。烯类单体通过打开双键相互联结起来的反应。 得到的聚合物为得到的聚合物为加聚物。加聚物。 缩聚反应缩聚反应 由单体分子的官能团间反应，在形成缩聚物由单体分子的官能团间反应，在形成缩聚物 的同时，伴有小分子产物的失去。的同时，伴有小分子产物的失去。 得到的聚合物为得到的聚合物为缩聚物。缩聚物。（Carothers分类法）分类法） 逐步聚合逐步聚合 反应是逐步进行的。先生成低聚物，再聚合反应是逐步进行的。先生成低聚物，再聚合 成高聚物。成高聚物。 连锁聚合连锁聚合 反应是以连锁方式进行

12、的。一旦开始，便可以反应是以连锁方式进行的。一旦开始，便可以 自发进行下去直到终止。自发进行下去直到终止。按聚合反应机理和动力学分类按聚合反应机理和动力学分类（Flory分类法）分类法）（1）按性质和用途分类按性质和用途分类 三大合成材料三大合成材料1.3 聚合物的分类与命名聚合物的分类与命名助推器壳体：碳助推器壳体：碳/环氧复合材料环氧复合材料 塑料塑料 通用通用“四烯四烯”：PE、PP、PVC、PS 橡胶橡胶 “四胶四胶”：丁苯橡胶（：丁苯橡胶（SBR）、顺丁橡胶）、顺丁橡胶(BR)、异戊橡胶异戊橡胶(IBR)、乙丙橡胶、乙丙橡胶(EPR)。 纤维纤维 “四纶四纶”：涤纶（：涤纶（PET）

13、、腈纶）、腈纶(PAN)、维尼纶、维尼纶、 锦纶（尼龙）锦纶（尼龙）PA。功能高分子材料功能高分子材料隐形眼镜隐形眼镜（聚甲基丙烯酸羟乙酯）（聚甲基丙烯酸羟乙酯）发光材料发光材料生物功能高分子材料生物功能高分子材料隐形眼镜隐形眼镜（聚甲基丙烯酸羟乙酯）（聚甲基丙烯酸羟乙酯）发光材料发光材料 碳链高聚物碳链高聚物 主链完全由碳原子组成，如主链完全由碳原子组成，如PP、PE、 PS 、 PMMA 等等 杂链高聚物杂链高聚物 主链除碳原子外，还有主链除碳原子外，还有S、Si、O、 P 等等 杂原子，如聚酯、聚醚杂原子，如聚酯、聚醚 元素有机高聚物元素有机高聚物 主链中无碳原子，侧链由有机基团组主链中

14、无碳原子，侧链由有机基团组 成，如有机硅氧烷成，如有机硅氧烷 无机高聚物无机高聚物 主、侧链全由杂原子组成，如石英主、侧链全由杂原子组成，如石英 按主链的元素组成分类按主链的元素组成分类按按反应和参加反应的单体分类反应和参加反应的单体分类加聚物加聚物 由加聚反应得到由加聚反应得到缩聚物缩聚物 由缩聚反应得到由缩聚反应得到 命名命名 既要表明其结构特征；也要反映其与原料单体的联系。既要表明其结构特征；也要反映其与原料单体的联系。 参照单体名称参照单体名称 以单体或以单体或假想单体假想单体为基础，前面加以为基础，前面加以“聚聚”，如聚乙烯、，如聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇等；聚丙烯、聚乙烯醇等； “聚

15、聚”+单体名称单体名称 由两种单体合成的聚合物，在两单体简称后加由两种单体合成的聚合物，在两单体简称后加“树脂树脂”或或“橡胶橡胶”，；，； “单体简称单体简称” 树脂或橡胶树脂或橡胶 如如 酚醛树脂、丁苯橡胶酚醛树脂、丁苯橡胶 以聚合物的结构特征命名，以聚合物的结构特征命名， “聚聚”高分子主链结构中的特征功能团高分子主链结构中的特征功能团 如聚酯、聚醚；如聚酯、聚醚； 聚对苯二甲酸乙二醇聚对苯二甲酸乙二醇酯酯、聚己二、聚己二酰酰己二己二胺胺商品名称商品名称 有机玻璃、涤纶有机玻璃、涤纶 英文缩写英文缩写 PVC、 PS、PVA 系统命名法系统命名法1.4聚合物的相对分子质量聚合物的相对分子质量 相对分子质量巨大相对分子质量巨大 一般在一般在104106之间。之间。 相对分子质量具有多分散性相对分子质量具有多分散性 高分子相对分子质量的高分子相对分子质量的多分散性多分散性可用相对分子质量分布可用相对分子质量分布来表示，常用来表示，常用相对分子质量分布曲线相对分子质量分布曲线和和相对分子质量分布指相对分子质量分布指数数。nMmMVMZM 根据统计方法的不同，常用的平均分子量有：根据统计方法的不同，常用的平均分子量有：数均相对分数均相对分子质量子质量 、质均相对分子质量、质均相对分子质量 、粘均相对分子质量粘均相对分子质量 Z均相对分子质量均相对